CN103058667B

CN103058667B - 纳米固体润滑剂与纳米陶瓷颗粒复合改性的刀具材料及其制备方法

Info

Publication number: CN103058667B
Application number: CN201310017384.3A
Authority: CN
Inventors: 许崇海; 衣明东; 肖光春; 冯益华; 陈照强; 方斌; 魏高峰
Original assignee: Shandong Institute of Light Industry
Current assignee: Shandong Institute of Light Industry
Priority date: 2013-01-17
Filing date: 2013-01-17
Publication date: 2014-05-14
Anticipated expiration: 2033-01-17
Also published as: CN103058667A

Abstract

本发明涉及一种纳米固体润滑剂与纳米陶瓷颗粒复合改性的刀具材料及其制备方法。该刀具材料原料体积百分比组成如下：微米碳化钛20-50%；纳米氟化钙5-15%；纳米氧化铝陶瓷颗粒3-6%；氧化镁0.5-1.5%；其余为微米氧化铝。制备方法包括：先配制纳米氟化钙和纳米氧化铝的分散液，混合后再将氧化镁、微米氧化铝和微米碳化钛加入其中，混合分散、球磨、干燥得粉料，再以热压法烧结。本发明将纳米陶瓷颗粒Al₂O₃和纳米固体润滑剂CaF₂成功引入陶瓷基体中，能兼顾力学性能和摩擦学特性，得到力学性能好、自润滑特性好的刀具材料。该刀具材料原料成本低，工艺简单，易于工业化生产。

Description

纳米固体润滑剂与纳米陶瓷颗粒复合改性的刀具材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及陶瓷刀具材料技术领域，尤其涉及一种纳米固体润滑剂与纳米陶瓷颗粒复合改性的刀具材料及其制备方法。

背景技术

刀具材料，特别是面向高速干切削的刀具材料已成为现代制造技术的关键。高速干切削刀具材料是指可以在高速条件下实现干切削加工的刀具材料。高速干切削时要求刀具材料与被加工材料的化学亲和力要小，必须具有良好的耐热性，极高的红硬性和热韧性。目前适用于高速干切削加工的刀具材料有聚晶金刚石刀具、立方氮化硼刀具、金属陶瓷和陶瓷刀具等。陶瓷刀具材料具有高温硬度高、化学稳定性和抗粘结性好等优点，适用于高速干切削加工，目前常用的陶瓷刀具包括Al₂O₃基和Si₃N₄基两大类，在添加碳化物、硼化物和氮化物等作为增强相的基础上，制备的复合陶瓷刀具材料获得了广泛的研究与应用。此外，由于高速干切削过程中缺少切削液的润滑和冷却作用，随着加工时间的增加，切削温度升高，刀具与工件之间的摩擦加剧，刀具的磨损严重，加工表面质量恶化，刀具寿命也随之下降。添加固体润滑剂制备的自润滑陶瓷刀具材料可以在切削过程中形成自润滑膜，减小了刀具和工件的直接接触，有效地的保护了刀具材料，并降低了摩擦系数。尽管自润滑陶瓷刀具的摩擦学性能得到了改善，但是由于固体润滑剂的力学性能较差，破坏了刀具材料的力学性能，导致了刀具材料的耐用性降低。

发明内容

为了克服现有高速干切削陶瓷刀具材料力学性能和摩擦磨损性能难以兼顾的缺陷，本发明提供一种纳米固体润滑剂与纳米陶瓷颗粒复合改性的刀具材料及其制备方法。

本发明的技术方案如下：

一种复合改性的刀具材料，采用纳米固体润滑剂氟化钙和纳米氧化铝陶瓷颗粒对Al₂O₃/TiC陶瓷刀具材料进行复合改性，氧化镁为烧结助剂烧结制成，原料体积百分比组成如下：

纳米氟化钙5-15%；纳米氧化铝陶瓷颗粒3-6%；微米碳化钛20-50%；氧化镁0.5-1.5%；其余为微米氧化铝；

所述纳米氟化钙，粒径范围15-50nm；

所述纳米氧化铝陶瓷颗粒，粒径范围140-160nm；

所述微米碳化钛，平均粒径为1~2μm；

所述微米氧化铝，平均粒径为1~2μm。

根据本发明优选的，所述复合改性的刀具材料，原料体积百分比组成如下：

纳米氟化钙5-15%；纳米氧化铝陶瓷颗粒4-5%；微米碳化钛40-50%；氧化镁0.5-1%；其余为微米氧化铝。

纳米氟化钙10%；纳米氧化铝陶瓷颗粒4%；微米氧化铝40%；微米碳化钛45.5%；氧化镁0.5%。

根据本发明，一种纳米固体润滑剂与纳米陶瓷颗粒复合改性刀具材料的制备方法，包括步骤如下：

（1）称取聚乙二醇，溶解于无水乙醇中，配制两份聚乙二醇含量为2-4g/L的分散液；按配比称取纳米氧化铝和纳米氟化钙，在超声和机械搅拌条件下，分别加入到配制的两份分散液中，得到纳米氧化铝分散液和纳米氟化钙分散液，超声搅拌20-30min；

（2）将步骤（1）的纳米氧化铝分散液和纳米氟化钙分散液混合，并按配比将微米氧化铝、微米碳化钛和烧结助剂氧化镁加入混合溶液中，超声分散20-30min；得复合溶液；

（3）将步骤（2）分散好的复合溶液加入球磨罐中，采用硬质合金球球磨48-72h，经过真空干燥24-36h后，采用200目筛过筛，得复合粉料，备用；

（4）将步骤（3）的复合粉料加入石墨模具中，采用真空热压烧结技术，在烧结温度1550℃-1700℃、保温15-30min和热压25-30MPa条件下烧结，烧结完成后自然冷却。

根据本发明的上述方法，优选的，步骤（1）中所用的聚乙二醇为PEG4000。

根据本发明的上述方法，优选的，步骤（1）所述的纳米氧化铝分散液中，纳米氧化铝的含量为6.3-12.6g/L。

根据本发明的上述方法，优选的，步骤（1）所述的纳米氟化钙分散液中，纳米氟化钙的含量为6.9-20.7g/L。

根据本发明的上述方法，优选的，步骤（4）所述的烧结过程中，烧结温度为1600℃-1650℃、保温时间为15-25min和热压压力为28-30MPa。

本发明制备得到的刀具材料中，固体润滑剂纳米CaF₂主要位于基体晶粒内部（晶内型），粒度在50nm以下；纳米Al₂O₃陶瓷颗粒主要位于晶间，粒度在200-300nm之间。所得复合陶瓷刀具材料的抗弯强度为500-700MPa，断裂韧性为7-9MPa·m^1/2，硬度为17-19GPa。

本发明将纳米陶瓷颗粒Al₂O₃和纳米固体润滑剂CaF₂引入陶瓷基体内部，通过利用纳米陶瓷颗粒的增韧补强性能和纳米固体润滑剂的自润滑性能，解决了目前自润滑刀具材料中力学性能和摩擦磨损性能不能兼顾的难题。纳米固体润滑剂在陶瓷基体中的均匀分布可以改善陶瓷刀具材料的自润滑性能，而纳米陶瓷颗粒的加入可以减少陶瓷基体颗粒的异常长大，使陶瓷刀具材料的微观结构均匀细化，改善了刀具材料的抗弯强度和断裂韧性。其中，粒度较小的纳米固体润滑剂CaF₂主要位于陶瓷基体晶粒的内部，对陶瓷刀具材料的力学性能伤害较小；粒度较大的纳米陶瓷颗粒Al₂O₃在基体晶粒内部和晶界上均有分布，对于改善陶瓷刀具材料的微观结构和抑制基体晶粒的异常长大具有重要作用。该陶瓷材料的断裂方式是晶内/晶间混合断裂方式。

本发明所获得的纳米固体润滑剂与纳米陶瓷颗粒复合改性的刀具材料，具有力学性能好、自润滑特性好的特点，可较好地满足切削加工特别是干切削加工的要求，而且该刀具材料具有原料便宜、工艺简单、设备投入少等特点，易于实现产业化，具有良好的应用前景。

附图说明

图1是实施例1的纳米固体润滑剂与纳米陶瓷颗粒复合改性刀具材料断口的扫描电镜照片。

图2是实施例1的纳米固体润滑剂与纳米陶瓷颗粒复合改性刀具材料断口的扫描电镜照片。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步说明。各实施例的原料组分中，所用的微米级Al₂O₃和TiC粉末，球磨至平均粒径均为1.5μm，纯度大于99%；CaF₂粒径范围为15-50nm；纳米Al₂O₃粒径范围为140-160nm。所用的聚乙二醇为聚乙二醇4000。所用硬质合金球为YG8钨钢球，宁波市昌盛合金球有限公司有售。

实施例1

纳米固体润滑剂与纳米陶瓷颗粒复合改性的刀具材料，原料组分的体积百分比为：40%微米Al₂O₃，45.5%微米TiC，10%纳米CaF₂，4%纳米Al₂O₃陶瓷颗粒，0.5%MgO。

制备方法如下：

（1）称取聚乙二醇4000（PEG4000）作为分散剂，溶解于无水乙醇中，配制两份100mLPEG4000浓度为3g/L的分散液；按配比称取纳米氧化铝和纳米氟化钙在超声和机械搅拌条件下，分别加入两份配制好的分散液中，分别得到纳米氧化铝分散液和纳米氟化钙分散液，超声搅拌30min；

（2）然后，将两份纳米氧化铝分散液和纳米氟化钙分散液混合在一起，并按配比将微米氧化铝、微米碳化钛和烧结助剂氧化镁加入混合溶液中，超声分散20min；得复合溶液；

（3）将分散好的复合溶液加入球磨罐中，采用硬质合金球球磨48h，经过真空干燥24h后，采用200目筛过筛，得复合粉料，备用；

（4）将步骤（3）的复合粉料加入石墨模具中，采用真空热压烧结技术，在烧结温度1650℃、保温15min和热压30MPa条件下烧结，烧结完成后自然冷却。

将制得的陶瓷材料试样进行切割加工，测得其力学性能参数为：抗弯强度562MPa、断裂韧性8.95MPa·m^1/2、维氏硬度18.95GPa。图1的扫描电镜照片显示纳米氟化钙主要位于晶粒内部，纳米氧化铝在晶内和晶间均有分布，材料的微观结构均匀细化，断裂方式为穿晶/沿晶断裂混合方式。图2的扫描电镜照片显示纳米颗粒在晶内的分布引发穿晶断裂，而纳米氧化铝具有阻止裂纹扩展的效果。

实施例2

纳米固体润滑剂与纳米陶瓷颗粒复合改性的刀具材料，原料组分的体积百分比为：55%微米Al₂O₃，34%微米TiC，5%纳米CaF₂，5.5%纳米Al₂O₃陶瓷颗粒，0.5%MgO。

制备方法如下：

（1）称取聚乙二醇4000作为分散剂，溶解于无水乙醇中，配制两份100mL PEG4000浓度为4g/L的分散液；按配比称取纳米氧化铝和纳米氟化钙在超声和机械搅拌条件下，分别加入两份配制好的分散液中，分别得到纳米氧化铝分散液和纳米氟化钙分散液，超声搅拌25min；

（2）然后，将两份纳米氧化铝分散液和纳米氟化钙分散液混合在一起，并按配比将微米氧化铝、微米碳化钛和烧结助剂氧化镁加入混合溶液中，超声分散25min；

（3）将分散好的复合溶液加入球磨罐中，采用硬质合金球球磨72h，经过真空干燥36h后，采用200目筛过筛，得复合粉料，备用；

（4）将步骤（3）的复合粉料加入石墨模具中，采用真空热压烧结技术，在烧结温度1600℃、保温20min和热压25MPa条件下烧结，烧结完成后自然冷却。

将制得的陶瓷材料试样进行切割加工，测得其力学性能参数为：抗弯强度632MPa、断裂韧性8.06MPa·m^1/2、维氏硬度17.7GPa。

实施例3

纳米固体润滑剂与纳米陶瓷颗粒复合改性的刀具材料，原料组分的体积百分比为：45%微米Al₂O₃，34.5%微米TiC，15%纳米CaF₂，4.5%纳米Al₂O₃陶瓷颗粒，1%MgO。

制备方法如下：

（1）称取聚乙二醇4000作为分散剂，溶解于无水乙醇中，配制两份100mL PEG4000浓度为2g/L的分散液；按配比称取纳米氧化铝和纳米氟化钙在超声和机械搅拌条件下，分别加入两份配制好的分散液中，分别得到纳米氧化铝分散液和纳米氟化钙分散液，超声搅拌30min；

（2）然后，将两份纳米氧化铝分散液和纳米氟化钙分散液混合在一起，并按配比将微米氧化铝、微米碳化钛和烧结助剂氧化镁加入混合溶液中，超声分散30min；

（3）将分散好的复合溶液加入球磨罐中，采用硬质合金球球磨60h，经过真空干燥30h后，采用200目筛过筛，得复合粉料，备用；

（4）将步骤（3）的复合粉料加入石墨模具中，采用真空热压烧结技术，在烧结温度1550℃、保温30min和热压30MPa条件下烧结，烧结完成后自然冷却。

将制得的陶瓷材料试样进行切割加工，测得其力学性能参数为：抗弯强度601MPa、断裂韧性7.25MPa·m^1/2、维氏硬度17.59GPa。

实施例4

纳米固体润滑剂与纳米陶瓷颗粒复合改性的刀具材料，原料组分的体积百分比为：60%微米Al₂O₃，23%微米TiC，10%纳米CaF₂，6%纳米Al₂O₃陶瓷颗粒，1%MgO。

制备方法如下：

步骤（1）-（3）如实施例2所述，所不同的是：

步骤（4）将步骤（3）的复合粉料加入石墨模具中，采用真空热压烧结技术，在烧结温度1700℃、保温15min和热压30MPa条件下烧结，烧结完成后自然冷却。

将制得的陶瓷材料试样进行切割加工，测得其力学性能参数为：抗弯强度623MPa、断裂韧性7.1MPa·m^1/2、维氏硬度17.17GPa。

对比例：添加微米固体润滑剂氟化钙的刀具材料

如实施例1的配方，所不同的是，采用微米级CaF₂作为固体润滑剂，并将纳米级Al₂O₃替换为等量的微米Al₂O₃。

添加微米固体润滑剂氟化钙的刀具材料，原料组分的体积百分比为：44%微米Al₂O₃，45.5%微米TiC，10%微米CaF₂，0.5%MgO。

采用如实施例1中的分散工艺和烧结工艺。将制得的陶瓷材料试样进行切割加工，测得其力学性能参数为：抗弯强度549MPa、断裂韧性4.65MPa·m^1/2、维氏硬度14.4GPa。

Claims

1.一种复合改性的刀具材料的制备方法，采用纳米固体润滑剂氟化钙和纳米氧化铝陶瓷颗粒对Al₂O₃/TiC陶瓷刀具材料进行复合改性，以氧化镁为烧结助剂烧结制成，原料体积百分比组成如下：

纳米氟化钙5-15%；纳米氧化铝陶瓷颗粒 3-6%；微米碳化钛20-50%；氧化镁 0.5-1.5%；其余为微米氧化铝；

所述纳米氟化钙，粒径范围15-50nm；所述纳米氧化铝陶瓷颗粒，粒径范围140-160nm；

所述微米碳化钛，平均粒径为1-2μm；所述微米氧化铝，平均粒径为1-2μm；

制备步骤如下：

所述的纳米氧化铝分散液中，纳米氧化铝的含量为6.3-12.6g/L；

所述的纳米氟化钙分散液中，纳米氟化钙的含量为6.9-20.7g/L；

2．如权利要求1所述的复合改性的刀具材料的制备方法，其特征在于，步骤（1）中所用的聚乙二醇为PEG4000。

3．如权利要求1所述的复合改性的刀具材料的制备方法制备得到的刀具材料，其特征在于，原料体积百分比组成如下：

4．如权利要求1所述的复合改性的刀具材料的制备方法制备得到的刀具材料，其特征在于，原料体积百分比组成如下：